第9章-炼焦炉的气体力学原理及其应用

炼焦炉的气体力学原理及其应用第九章炼焦炉的气体力学原理及其应用第一节焦炉实用气流方程式及其应用第二节烟囱的原理和计算第三节焦炉的废气循环炼焦炉的气体力学原理及其应用第一节焦炉实用气流方程式及其应用一、流体力学基本知识1．气体状态方程气体定律表明气体从一种状态（温度、压力、体积）变化到另一种状态时，气体的温度、压力和体积的关系为：PV=nRT炼焦炉的气体力学原理及其应用，Pa（9-2）式中---烟囱高为Hm时所产生的浮力，Pa；---大气压，Pa；、---大气及热废气的密度，㎏/m³；----烟囱的高度，m。00()()()kFKFppgHpgHgH浮0pFKH浮p图9-1连通器内产生浮力原理图图9-2焦炉烟囱产生浮力原理2．浮力炼焦炉的气体力学原理及其应用3．阻力与阻力系数气体在管道中流动时，由于气体分子与管壁之间，气体分子与气体分子之间的摩擦都会产生阻碍气体流动的阻力。气体在直径与流向没有变化的管道中流动时所产生的阻力均匀分布在整个管道上，称摩擦阻力；气体在直径或流向改变的管道中流动时所产生的阻力，称为局部阻力。在焦炉加热系统内，局部阻力所造成的压力损失占全部阻力损失的绝大部分，而摩擦阻力造成的压力损失较少，阻力越大，压力损失越大。炼焦炉的气体力学原理及其应用气体流动产生阻力，反过来阻力又阻碍气体流动，且流动速度越大，阻力亦越大。阻力计算公式：（9-3）式中△P——气体流动所产生的阻力，Pa；——阻力系数。阻力系数与通道的光滑程度、形状、尺寸以及气体在通道内的流动状态有关，阻力系数由实验所得，在计算中一般选用与操作情况相类似条件下的阻力系数。221(1)22273ttttwwPkkk炼焦炉的气体力学原理及其应用阻力系数分直管阻力系数和局部阻力系数两种类型。其中——摩擦系数；L——管道长度，m；de----管道直径或通道的当量直径,m。非圆形管道de=eLkd13eLkdSF44通道的周边长通道的截面积炼焦炉的气体力学原理及其应用二、焦炉内气体流动的特点单位质量流体稳定流动过程的机械能量衡算式（柏努利方程式）的形式如下：=++∑，J/kg(9-4)式中——位能；——压力能；——动能；∑——损耗能。(1)利用上述公式时应符合下列条件：稳定流动；沿通道单向流动,分段计算；流体流动时可视为不可压缩；公式中各项均为该断面处的平均值；相对同一基准面。22111pgz22pgz222fh炼焦炉的气体力学原理及其应用由于则====（9-5）式中T1、T2——不同截面处气体的温度，K；、——T1、T2温度下气体的密度，㎏/m³。(3)焦炉加热系统不仅是个通道，而且起气流分配作用。此外，集气管、加热煤气主管和烟道等也均有分配和汇合全炉气体的作用。在这些分配道中压力和流量的变化影响很大，因此要考虑变量气流时的流动特点。210021TT)(212121TTT210)(21210TTT)/()()/(221212100TTTTTTT)(2200100200100TTTTTTTT)(2212112(2)密度参数采用平均值的计算炼焦炉的气体力学原理及其应用(4)方程式中、P、分别为位压力、静压力和动压力，三者之和即为总压，因此在稳定流动时，柏努利方程式表现为：总压差=阻力流量调节：流体流动时，总压差与阻力同时存在于流体的流动过程中，当其中任何一方发生变化时，平衡就被破坏，稳定流动转变为不稳定流动，流量将发生变化，并在流量改变后的条件下，总压差和阻力达到新的平衡。焦炉加热中为了调节流量，可以采用两种手段：即通过改变煤气、废气的静压力来改变系统的总压差；或通过改变调节装置的开度（局部阻力系数）来改变系统的阻力。gz22炼焦炉的气体力学原理及其应用三、焦炉实用气流方程式及其应用为便于焦炉上应用，式(9-4)以压力形式可表示为：+=++，Pa(9-6)式中=---流体通过断面1-2间的阻力，Pa；---调和平均密度，kg/m3；---气体在0℃下的密度，kg/m3。为考虑炉外空气对炉内热气流的作用，以及不同区段的流动特点，实用转化为各种具体形式时的公式。gzp211121212gzp212221222P21P2121fh210'22'11pgzpgz空空212112112gzp2p221gz22212P212121211'112)()(gzpp空212122212'222)()(gzpp空)('11pp)('22pp1a2a12zzgha空)(212112222121P212a1．上升气流公式如图9-3为气体在通道内由下往上流动，通道外空气可看作静止，则柏努利方程只有静压和位压：通道外：通道内：=+++上述两式相减得：=称和分别为始点与终点的相对压力，并以和表示。且令=h1-2，则上式整理后得：=-炼焦炉的气体力学原理及其应用焦炉内对于截面积流量不变的通道，一般与其它项相比甚小，可忽略不计，则上式简化为：=(9-7)式中为气柱的热浮力。其中为热气柱作用在1-1面上的位压力，为同一高度冷空气柱作用在该底面的位压力。因，故热浮力即空气柱与热气柱的位压力差，其作用是推动热气体向上流动。气柱愈高，空气和热气体的密度差愈大时，热浮力也愈大。式(9-7)即为焦炉内上升气流的基本公式，当热浮力阻力时，；热浮力阻力时，。22221212121211)(gha空2agh空)(2121gh2121gh空2121空12aa12aa炼焦炉的气体力学原理及其应用2．下降气流公式如图9-4，热气体在通道内下降流动时，始点在上部，相对压力仍为，终点在下部，相对压力为。在忽略动压力项时，同理可导出下降气流公式：=(9-8)由式(9-8)表明，下降气流流动时，热浮力与阻力一样，均起阻碍气流运动的作用，故。1a2a2121211)(gha空2a12aa炼焦炉的气体力学原理及其应用[例9-1]焦炉压力制度规定，在推焦前20min，吸气管下部炭化室底部测压孔（距炉底0.3m）处的相对压力不低于4.9Pa。如推焦前的煤气密度ρ0=0.35㎏/m3，温度为800℃，大型焦炉炭化室底部与集气管中心距为7m，荒煤气经焦炭层、上升管到集气管测压点的阻力为4.9Pa，大气温度为0℃，空气密度ρ空=1.293㎏/m3，集气管压力为多少？解：荒煤气由炭化室底部至集气管作上升流动，故集气管压力为：α2=4.9+7×9.81×[]-4.9=82.65Pa21212112)(空ghaa)800273(27335.0293.1210021TT炼焦炉的气体力学原理及其应用如果大气温度升高，由于空气密度降低使集气管压力也降低，浮力减小，其值可由浮力计算求得。因空气密度冬、夏季是不一样的，变化很大，因此集气管压力的控制值冬、夏季是不同的，冬季大而夏季略小。3．水平气流公式在水平通道里流动的气体，因其=0，所以浮力项等于零，则有。从式中可以看出，气体在水平流动时，两断面中不论绝对压力如何，其压力差代表这两个断面之间的阻力，即。如果在同一系统两种操作情况下或两个形状尺寸完全一致的地区，其两端压力差相同，则阻力相同，通过的气体量也相同。21h2112aa2121aa21212112)(空ghaa炼焦炉的气体力学原理及其应用4．循序上升与下降气流公式如图9-5，当气体在既有上升气流又有下降气流的通道内流动时，从始点到终点的全部阻力总使终点相对压力减小，吸力增大。气流上升段浮力使终点相对压力增加，吸力减小，下降段浮力则使终点相对压力减少，吸力增大。因此循序上升与下降气流公式为（推导略）：=+--（9-9）式中α始、α终---分别为始点与终点相对压力；---气流全过程中上升段浮力总和（各段不同）；---气流全过程中下降段浮力的总和；---从始点至终点全部阻力之和。很明显，上式同样忽略了各段的动压力差，如要考虑应在右边加上各段动压力差之和。终a始aghi空上)(ghi空下)()(i空上h)(i空下h炼焦炉的气体力学原理及其应用5．焦炉实用气流方程式的应用上述各气流公式广泛用于计算或分析焦炉通道内相对压力、阻力和浮力的关系。如：(1)按推焦前吸气管下方的炭化室底部相对压力保持0～5Pa的规定，计算集气管压力。（2）按上升气流看火孔保持相对压力-5～+5Pa的规定，计算蓄热室顶部吸力（炉外压力减同一水平的炉内压力P为吸力）。(3)焦炉用贫煤气加热时，分析和计算煤气蓄热室和空气蓄热室顶部吸力的相互关系。炼焦炉的气体力学原理及其应用(4)根据蓄热室顶部和底部的吸力差，分析格子砖的堵塞情况。(5)空气蓄热室进风门开度，煤气蓄热室孔板大小或废气开闭器的翻板开度对蓄热室顶部吸力的影响。(6)大气温度明显变化时，改变蓄热室进风门开度以稳定蓄热室顶部吸力的必要性。(7)蓄热室换向间隔时间内顶部吸力的变化及原因分析。(8)烟囱吸力和烟囱高度的计算。对以上计算，现举例加以说明。炼焦炉的气体力学原理及其应用[例9-2]焦炉调火中，用废气开闭器进风口断面开度或废气开闭器翻板调节燃烧系统流量时，系统中各点相对压力的变化。解：如图9-5，以废气开闭器进风口断面减小为例，分析从进风口外到下降气流废气开闭器翻板后，分烟道翻板前各点相对压力的变化。进风口外即大气的相对压力为，在无风情况下为零，分烟道的相对压力在个别系统调节稍有变化时，因有烟道吸力自动调节装置维持定值而不变。从1到7点列出循序上升与下降气流公式如下：=+图9-5焦炉加热系统示意图7a1aghi空上)(ghi空下)(71炼焦炉的气体力学原理及其应用式中和保持不变，个别系统少量调节时，燃烧系统内温度变化不大，各段浮力变化很小，故基本不变。是1-2，2-3，3-4，4-5，5-6，6-7各段阻力之和，进风口断面减小时，加大，但不变，故必减小。2-7各处断面不变。阻力系数基本不变，则2-7的气体流量必减小。再看各点相对压力，因进风口断面减小，突降（或吸力突增），在气体流量减小、保持一定、2-7各处断面不变的条件下，3-7、4-7、5-7、6-7的阻力均降低，显然愈接近7点，降低值愈少。相应的、、、也下降，但愈接近7点，下降值愈小，且2-7之间任意两点间的压力差也减小。1a7a71712171722a7a3a4a5a6a炼焦炉的气体力学原理及其应用关小废气盘翻板的开度，同样可以减少加热系统的流量，但这时2-6各点的相对压力均增加（吸力降低），愈接近1点，相对压力的增加值愈少，但1-6之间任意两点间的压力差仍减小。炼焦炉的气体力学原理及其应用第二节烟囱的原理和计算一、烟囱的工作原理烟囱的作用在于使其根部产生足够吸力，克服焦炉加热系统阻力（包括分烟道阻力）和下降气流段热浮力，从而使炉内废气排出，空气吸入。炉内上升气流热浮力则有助于气体流动和废气排出。烟囱根部吸力靠烟囱内热废气的浮力产生，其值由烟囱高度和热废气与大气的密度差决定。烟囱的工艺设计主要是根据加热系统的阻力和浮力值确定根部需要的吸力值，并据此计算烟囱高度和直径。炼焦炉的气体力学原理及其应用（1）烟囱根部所需吸力按焦炉进风口至烟囱根部列出的循序上升与下降气流公式确定。因进风口处相对压力为零，故可得烟囱根部所需吸力可通过下面确定：因：=0所以：=+-(9-10)式中---进风口至烟囱根部的总阻力；、---从进风口至烟囱根部所有上升气流段热浮力总和及下降气流段热浮力总和。入a)(根a加gh)(1空下ghi)(空上加上hg)(1空